(本記事は翻訳されたものです。)

Oリングが実際の使用環境で故障すると、その原因はしばしばシール材料にあると考えられます。多くの人は Oリングが「溶けた」あるいは低品質のコンパウンドが使用されたと推測します。しかし、最も一般的な原因は材料そのものではなく、溝設計の不備や Oリングサイズの不適合です。FKM や FFKM を含む最先端の化合物であっても、溝が適切に設計されていなければ、信頼性のある性能は発揮できません。

溝設計は単に Oリングを収めるための空間ではありません。圧縮のかかり方、圧力下での挙動、温度変化への対応、化学環境への耐性を決定します。言い換えれば、溝は Oリングそのものと同様に密封信頼性の鍵となる要素です。

なぜ使用条件が重要なのか

溝の形状を定義する前に、エンジニアは Oリングが使用環境で直面する条件を理解する必要があります。圧力、運動、化学媒体、温度はいずれも溝設計に影響を与えます。CAD 上では問題なさそうな設計であっても、実際の条件を考慮しなければすぐに故障する可能性があります。

• 静的 vs. 動的用途: 静的シールは一貫した圧縮が必要ですが、動的シールでは圧縮と摩擦・摩耗低減とのバランスが求められます。高速や潤滑不足の環境では特に注意が必要です。

• 圧力条件: 高圧や真空環境では、弾性体がクリアランスギャップに押し出されやすくなります。

• 熱要因: 大きな温度変動は熱膨張により圧縮率を変化させます。

• 化学要因: 特定の流体は Oリングを膨潤させ、溝内で過充填と応力を引き起こす可能性があります。

• 材料挙動: FKM や FFKM は優れた耐薬品性と耐熱性を備えていますが、他のエラストマーと同様に荷重下で膨張や寸法変化を起こします。溝設計はこれらの自然な挙動を考慮する必要があります。

溝設計の核心要素

以下は、圧力または真空環境がどのように Oリングの押し出しを引き起こす可能性があるかを示します：

精度、公差、組立

理論的に優れた溝設計でも、製造公差や組立条件が性能を損なうことがあります。加工寸法が公差の上限や下限に偏ると圧縮率が変わり、粗い表面仕上げは Oリングを摩耗させたり、微小な漏れ経路を作ります。組立不良（過度の締め付けや位置ずれ）も Oリングの溝内での位置に影響します。堅牢な設計は、これら現実的な変動を想定し、密封性を確保します。

信頼性とメンテナンス性のための設計

優れた溝設計はシール性能を支えるだけでなく、取り付けや交換を容易にします。鋭角やアクセス困難な構造は、取り付け時にシールを損傷し、メンテナンス時間を増大させます。小さな工夫、例えば角の面取りや適切な整備スペースの確保は、シール寿命を延ばし、保守を簡素化します。

さらに、検証試験も不可欠です。実際の圧力、温度、化学条件下で溝性能を評価することで、長期的な信頼性を確保し、予期せぬ現場での故障リスクを低減します。

押し出し対策のベストプラクティス:

• 高圧環境では バックアップリング を使用して押し出し経路を遮断する。
• 組立時は正しいトルクで均一に締め付け、フランジの変形を防ぐ。
• Oリング専用の取り付け工具を使用し、鋭利な金属工具は避ける。
• 動的環境では、高硬度または押し出し耐性を持つコンパウンドを採用する。

結論

溝設計は Oリングが故障して初めて注目されることが多いですが、材料不良とされる多くの問題は実際には 不適切な溝形状やサイズ選定の誤り に起因します。圧縮率、充填率、押し出しギャップ、公差、使用条件はいずれも密封成功の可否を左右します。

適切に設計すれば、半導体プラズマプロセスから油田掘削装置に至るまで、最も過酷な用途であっても信頼性が高く長寿命なシール性能を実現できます。

Katon のエンジニアにぜひご相談ください。最適化された溝設計が FKM および FFKM シールの寿命と信頼性をどのように延ばすかをご提案いたします。